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    芬蘭Kibron專注表面張力儀測量技術(shù),快速精準(zhǔn)測量動靜態(tài)表面張力

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    表面與界面物理力學(xué)

    來源:科技千里眼 瀏覽 2531 次 發(fā)布時間:2022-06-20

    今天咱們一同進(jìn)入一個新的領(lǐng)域——【表面與界面物理力學(xué)】。


    那么就從我們最常聽說的名詞——“表面張力”入手吧。



    先來點準(zhǔn)備知識——


    表面與界面


    表面(surface)是指【凝聚相】與【氣體/真空】之間的分界面。


    界面(interface)是指【凝聚相】與【凝聚相】之間的分界面。


    凝聚相,可以理解為“固相+液相”。



    表面能——形成表面的代價


    分子在材料的本體(bulk)中,四面八方都有其它的小伙伴,形成均勻的作用力和距離。


    但是,表面的出現(xiàn),使得一些分子變得不同,它們的外側(cè)是氣體或真空,幾乎沒有作用力,這使得表面上的分子“很不安分”,產(chǎn)生了額外的能量——表面能。



    如何理解“表面能”呢?


    比如,你把一塊巧克力掰成了兩半,巧克力發(fā)生的變化僅僅是增加了兩個表面,而你掰的過程必須消耗掉能量E,因此每個表面的表面能就是E/2。



    所以,表面能代表的是巧克力與空氣的差異;同理,所謂“界面能”,就是表征界面兩側(cè)兩種物質(zhì)的差異,差異越大,界面能越大。


    表面張力——減少表面能的努力


    自然界的大道之一,就是“最小能量原理”。一個液滴,會自發(fā)地尋找能量最小的形狀,這里的能量就是表面能,而在表面上的作用力就是表面張力。


    太空無重力下的汞滴,會自發(fā)形成一顆完美的圓球;空中漂浮的肥皂泡,也會自發(fā)地形成一個個球形薄膜——



    因為,在相同體積的物體中,球的表面積是最小的,物質(zhì)會自發(fā)地趨向于表面積最小。


    這是因為,表面能正比于面積。


    下面咱們展開來看一看這其中的關(guān)系。


    單位中蘊(yùn)含重要原理


    表面張力的單位為【N/m】,經(jīng)過換算,我們發(fā)現(xiàn)【N/m】=【J/m^2】。


    從這個等價單位可以看出,表面張力其實是“單位面積上的能量”。即:


    表面張力=表面能密度


    這樣,我們就更容易理解公式——


    表面能[J]=表面張力[N/m]×面積[m^2]


    其實就是——


    表面能[J]=表面能密度[J/m^2]×面積[m^2]


    以上其實是“量綱分析”的一種典型應(yīng)用,為了簡單,采用“單位”的方式敘述,其實道理是一樣的。


    拓展:壓強(qiáng)就是壓力能密度


    由以上分析,我們可以想到,壓強(qiáng)的單位——


    【Pa】=【N/m^2】=【J/m^3】


    是否有所啟發(fā)?


    是的。壓強(qiáng),其實就是壓力能(儲存于三維體)的密度。


    對應(yīng)的,表面張力,是表面能(儲存于二維面)的密度。


    還記得流體力學(xué)中的"靜力學(xué)方程"嗎——

    其實就是單位體積的能量守恒——動能+重力勢能+壓力能為常量。


    再拓展:表面張力是強(qiáng)度量


    物理量分兩類:強(qiáng)度量(intensive quantity)與廣延量(extensive quantity)。


    強(qiáng)度量是指與體系質(zhì)量無關(guān)的量,如應(yīng)力、壓強(qiáng)、密度、溫度、比熱、表面能密度(表面張力)等。


    廣延量就是與體系質(zhì)量成正比的量,如體積、內(nèi)能、面積、質(zhì)量、熵、電量、表面能等。



    換種思考,強(qiáng)度量不具有可加性,廣延量具有可加性。


    比如說,溫度加溫度是什么?沒有物理意義呀。


    兩者的關(guān)系是——


    廣延量=強(qiáng)度量×體系的量


    需要提醒的是,我們已經(jīng)知道——


    表面能密度[J/m^2]=表面張力[N/m]


    表面能[J]=表面張力[N/m]×面積[m^2]


    不過,大量的中文文獻(xiàn)和書籍中,經(jīng)常用“表面能”來代替“表面能密度”,閱讀時需要注意。


    壓強(qiáng)與表面張力的關(guān)系


    先做一個小實驗:咱們拿一個"鐵絲圓環(huán)",從肥皂水里蘸一下,取出后會形成一個非常平整的薄膜。(這是因為肥皂膜自發(fā)地追求表面/表面能最?。?


    這時,咱們在一側(cè)吹氣(相當(dāng)于施加了一個壓強(qiáng)),平整的薄膜就發(fā)生“彎曲”——



    事實上,彎曲的表面與壓強(qiáng)最終達(dá)到平衡。


    那么,咱們列一下平衡方程吧(假設(shè)壓強(qiáng)均勻、薄膜為球面)——關(guān)注黑色圓平面:


    表面張力×圓周長=壓強(qiáng)×圓面積



    從前面的量綱分析中,我們也看到該公式的合理性,寫成單位形式——


    [N/m]×[m]=[N/m^2]×[m^2]


    公式化簡,得到——


    p=2γ/R


    這就是標(biāo)準(zhǔn)的球曲面下,壓強(qiáng)與表面張力的關(guān)系。


    這個公式也是【楊-拉普拉斯方程】的一種簡單的形式。


    還有更簡單的形式


    楊-拉普拉斯方程還有更簡單的形式,這里需要我們了解一點關(guān)于曲率的概論。


    中學(xué)時我們學(xué)過,曲率κ定義為半徑的倒數(shù),即:κ=1/R。


    這其實是二維下的特殊情況。


    對于三維曲面,曲率等于任意兩個垂直方向上的曲率之和——


    顯然,標(biāo)準(zhǔn)球曲面的曲率κ=2/R。


    下面不用我說大家也知道如何化簡了——


    p=γ·κ


    這里的p,可以理解為由于表面的出現(xiàn),而產(chǎn)生的“附加壓強(qiáng)”,這個壓強(qiáng)的大小與正負(fù),與曲率直接相關(guān)。


    如下圖,無論是液體中的氣泡,還是氣體中的液滴,只要是球內(nèi)的部分,壓強(qiáng)就要比球外大,這是由于曲率的正負(fù)決定的。


    這里科技千里眼奉送一個自己做的仿真計算——液滴在表面張力作用下的變形,我們看到,藍(lán)色部分為負(fù)曲率,因此壓強(qiáng)為負(fù),而紅色部分為正曲率,因此壓強(qiáng)為正,液體會從正壓強(qiáng)流向負(fù)壓強(qiáng),這也是表面張力影響下流體變形的基本原理。




    由公式p=γ·κ想到的


    液滴(氣泡)半徑越小,壓強(qiáng)越大,它向周邊溶解氣體的速率就越快;歷經(jīng)一段時間后,小氣泡會逐漸消失,聚集成大氣泡,這是氣泡的【演變動力學(xué)】——




    有沒有這種情況,就是液滴(氣泡)半徑無限小,那么,我們是不是創(chuàng)造了一個無限大的壓強(qiáng)呢?


    比如,當(dāng)液滴(氣泡)剛剛形成時,不就是這種情況嗎?


    但是,我們也知道,自然界是不會存在無限大的壓強(qiáng)的。這是怎么回事呢?


    原來,液滴或氣泡的形成,是需要一個微小的異物(核)的,一般是灰塵;如果水凝聚在灰塵顆粒上,液滴就能夠長大。


    對于氣泡來說,也類似,一些碳酸飲料中,氣體的胚胎殘留在瓶壁上的某些位置,這些位置正是極微小的凸凹不平處,它們使得氣泡不斷長大。

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